Fenomene optice in atmosfera

FENOMENE OPTICE IN ATMOSFERA
In atmosfera se produc o serie de fenomene optice - fotometeori -  in urma refractiei, reflexiei, difuziei, difractiei si dispersiei razelor luminoase ale Soarelui si Lunii de catre particulele ce intra in compozitia aerului atmosferic.

1 Fenomene optice datorate refractiei razelor luminoase in atmosfera

In atmosfera, razele luminoase care patrund din starturile superioare in cele inferioare vor suferi fenomenul de refractie, datorita variatiei densitatii aerului atmosferic

n = 1 αρ

α - coeficient dependent de lungimea de unda a razei luminoase

ρ densitatea aerului

Razele nu se propaga in linie dreapta, ci vor fi refractate datorita variatiei indicelui de refractie de la un strat la altul

O raza luminoasa R strabatand succesiv straturile de aer 1,2,3 etc din ce in ce mai dense va fi refractata, apropiindu-se din ce in ce mai mult de normala n, deci raza se va curba cu cat se apropie mai mult de suprafata terestra.

Ceea ce se intampla cu una din raze, se va repeta pentru o infinitate de raze de lumina ce patrund in atmosfera Pamantului.

a.  fenomene optice datorate refractiei astronomice - devierea distantei zenitale distanta zenitala a unui astru apare deviata fata de cea reala: astrul izolat R nu se va putea observa in directia lui reala, ci in directia ultimei raze refractate in R.

- aparitia si disparitia Soarelui la orizont cu decalare de timp – durata zilei este marita cu cateva minute (3-8 minute pentru latitudinea noastra), deoarece Soarele se observa cu putin timp inainte de a rasari si dispare de pe bolta cereasca cu putin timp dupa ce a coborat dincolo de linia orizontului

b. Turtirea aparenta a Soarelui si Lunii in dreptul orizontului

Soarele si luna in momentul rasaritului si apusului capata forma de disc turtit pe verticala, datorita refractiei diferite a razelor luminoase, in functie de drumul parcurs.

Razele luminoase care provin de la partea inferioara a discului solar (sau lunar), ca urmare a refractiei apar mai ridicate cu 35’ fata de razele care provin de la marginea superioara a discului si care apar ridicate cu numai 20’.

Licarirea stelelor – fenomenul consta in variatia claritatii si coloritului stelelor in apropierea orizontului, producandu-se uneori chiar si cu planetele mai indepartate (Mercur si Venus).

Razele luminoase se refracta in mod diferit deoarece strabat straturi atmosferice cu densitati  si indici de refractie diferiti.

Razele luminoase provenite de la stele, fiind alcatuite din radiatii cu diferite lungimi de unda, la trecerea prin atmosfera sufera si fenomenul de descompunere in culori si din cauza departarii nu pot fi distinse in totalitatea lor.

Intrucat in atmosfera exista curenti aerieni de turbulenta, care produc variatii ale densitatiia aerului, razele luminoase de lungimi de unda diferite, vor suferi devieri in drumul lor, ajungand la ochiul observatorului sub forma de licariri (oscilatii de o parte si de alta a stelei) – rolul curentilor de aer este asemanator cu cel al lentilelor optice.

c. Fenomene optice datorate refractiei terestre

Deplasarea aparenta a obiectelor datorita refractiei terestre a razelor luminoase care provin de la un obiect, acesta sufera o deplasare aparenta D, care este data de relatia empirica:

D = 291·10-6·d·r

d distanta pana la obiect

r - unghiul de refractie al razei luminoase

fenomenul apare pe intinderile mari de apa si de uscat, influentand masuratorile topografice

din punct de vedere meteorologic, acest fenomen da indicatii asupra stratificarii aerului din apropierea suprafetei solului si a variatiei gradientului termic vertical.

Vibratiile obiectelor indepartate se observa in zilele foarte calduroase si mai ales in regiunile de ses

consta in oscilarea obiectelor indepartate (munti, dealuri, cladiri, arbori etc), mai vizibil la extremitatile lor

fenomenul apare deoarece razele luminoase care ajung la ochiul observatorului sufera devieri bruste, strabatand straturi cu densitati si indici de refractie diferiti.

Mirajul – apare datorita variatiei bruste a densitatii aerului in sens vertical. In miraj se modifica in mod aparent forma obiectului care apare alaturi de imaginile respective.

Mirajul inferior - se produce in stepe si deserturi datorita incalzirii puternice a straturilor de aer din apropierea solului.

razele luminoase care pornesc de la un obiect indepartat O si ajung la ochiul observatorului, se vor refracta (departandu-se de normala) din ce in ce mai mult cu apropierea de sol.

incidenta razelor la un moment dat depaseste unghiul limita si vor suferi o reflexie totala, iar observatorul va vedea imaginea I a obiectului, in prelungirea ultimei raze refractate, mult coborata fata de obiectul O si rasturnata.

Mirajul superior - se produce in cazul cand straturile de aer din apropierea solului se racesc fata de cele superioare si in acest caz densitatea aerului precum si indicii de refractie se vor micsora cu inaltimea. refractia razelor se produce prin apropierea de normala, iar imaginea I se va forma deasupra obiectului O si rasturnata

Mirajul multiplu – formarea catorva imagini ale unui obiect indepartat, datorita micsorarii rapide cu inaltimea a densitatii aerului de la o anumita inaltime.

razele luminoase care pornesc de la obiect catre ochiul observatorului, trcand prin straturile inferioare ale aerului, vor forma imaginea I1 mai apropiata de suprafata terestra si imaginile I2, I3 etc in straturile superioare, in care densitatea aerului sufera variatii bruste.

fenomenele de miraj dau o indicatie asupra schimbarii vremii, datorita variatiei gradientului termic vertical in straturile de aer.

2. Fenomene optice in nori si precipitatii

Norii si precipitatiile, prin structura lor, actioneaza asupra razelor luminoase, producand refractia, reflexia, difractia si dispersia acestora.

Curcubeul apare sub forma unui arc cu concavitatea in jos, colorat in culorile spectrului, dispuse concentric, violetul aflandu-se in interiorul arcului, iar rosul la exterior.

apare atunci cand in partea opusa Soarelui se afla un nor de ploaie.

prima explicatie asupra formarii curcubeului a fost data in anul 1637 de catre Descartes si mai tarziu completata de Newton si Airy.

raza RI cade pe picatura de apa sub unghiul de incidenta i, se refracta sub unghiul r, apropiindu-se de normala N

i - r = unghiul de deviatie

RI ajunge in spatele picaturii, in punctul M unde sufera o reflexie, astfel incat va fi din nou deviata sub unghiul π - 2r

in punctul N sufera o noua refractie, fiind deviata sub unghiul i – r

Notam D – unghiul de deviatie totala:

PROIECT: Luneta Astronomica (Telescopul Refractor) PROIECT: Telescopul Reflector de tip Dobson

D = (i - r) + (π – 2r) + (i – r) = 2(i – r) + (π – 2r)

Daca raza se reflecta de k ori in interiorul picaturii:

D = kπ + 2[ i – (k + 1)r ]

depinde de unghiul de incidenta al razelor si de dimensiunile picaturilor ce intra in compozitia norului sau precipitatiilor

picatura de apa joaca rolul unei prisme.

Curcubeul poate fi vizibil  numai sub un anumit unghi si numai in cazul in care ochiul observatorului se afla in varful conului in care converg razele luminoase.

razele rosii fac unghiul de 42° cu suprafata terestra, iar cele violete de 40°.

adesea apare si un al doilea curcubeu, care este vizibil sub un unghi de 52°, avand culorile mai putin vii si dispuse invers fata de primul.

nu toate razele ce intalnesc picaturile de apa din nori contribuie la formarea curcubeului, ci numai asa numitele raze eficare

pentru razele rosii D = 138°, iar unghiul sub care apare vizibila culoarea rosie este complementul acestuia

pentru razele violete D = 140°, iar pentru celelalte raze, de alte culori, aceste unghiuri au valori intermediare

Formarea celui de-al doilea curcubeu se datoreaza reflexiei duble a razelor in interiorul picaturilor de apa

Dupa culoarea sa curcubeul da indicatii asupra dimensiunilor picaturilor de apa ce formeaza norul sau precipitatiile

cand banda violeta a curcubeului este lucioasa si cea verde clara, diametrul picaturilor este de 1-2 mm

banda rosie este slaba in cazul picaturilor cu diametrul de circa 0.5mm

Haloul este produs de refractia, reflexia si dispersia razelor luminoase in cristale de gheata foarte fine, care intra in compozitia norilor Cirrostratus.

se produce rar in regiunile noastre, insa este foarte frecvent in regiunile polare, unde norii sunt formati aproape numai din cristale de gheata

cristalele apartin sistemului hexagonal si au forme de prisme aciculare hexagonale, lame, stelute.

cristalele se afla in atmosfera in stare de suspensie aparenta, adica, desi sunt antrenate de curentii de aer, dau impresia ca stau pe loc.

sub actiunea acestor miscari, cristalele de gheata se orienteaza diferit, unele orizontal, altele vertical, iar altele dezordonat dand nastere fenomenelor luminoase, sub forma de halouri cu diferite aspecte, dupa abundenta si orientarea cristalelor de gheata din atmosfera

Haloul ordinar (I) – are forma unui arc de cerc albicios, colorat slab, formandu-se in jurul Soarelui sau Lunii, avand diametrul de 22°.

apare datorita refractiei razelor luminoase ce strabat cristalele aciculare de gheata si ale caror fete fac intre ele unghiuri de 60° si care au rolul de prisme optice.

Haloul extraordinar (II) – apare concentric cu cel ordinar, avand diametrul de 46°, fiind aproape identic cu cel ordinar

se formeaza prin refractia razelor pe fetele cristalelor de gheata ce fac unghiuri de 90°.

Cercul parahelic (c) – banda luminoasa, alba, stralucitoare, orizontala, care pare ca traverseaza Soarele si luna, fiind paralela cu linia orizontului

este rezultatul refractiei razelor ce cad pe cristale de gheata orientate vertical.

Paraheliile (p) – sau paraselenele in cazul Lunii sunt pete de culoare alba stralucitoare, uneori colorate, care se produc la intersectiile cercului parahelic, cu haloul de 22° (Soare fals).

Arcul circumzenital (z) – este un arc de cerc tangent la haloul de 46° - apare datorita refractiei razelor ce patrund prin bazele cristalelor de gheata si ies prin una din fetele laterale.

Arcuri tangente (t) – la haloul de 22° superior si inferior este rezultatul refractiei razelor ce cad pe fetele laterale ale cristalelor de gheata, in forma de stelute.

Arcuri tangente infralaterale (l) apar tangente la haloul de 46° si se produc in urma refractiei razelor ce patrund prin unghiurile diedre ale cristalelor plate de gheata.

3 Fenomene optice datorate difractiei razelor luminoase Difractia = fenomenul prin care lumina „ocoleste” corpurile opace de dimensiuni mici. Se produce si in cazul in care razele strabat orificiile foarte mici.

In atmosfera rolul acestora il au picaturile de apa si cristalele de gheata pe care producandu-se difractia, apar in jurul Soarelui si Lunii cercuri luminoase, uneori cu culorile spectrului = coroana.

apar in norii Altocumulus si Altostratus, sub forma unui inel albastrui in jurul Soarelui sau Lunii, iar spre exteriorul acestora un cerc rosu bine delimitat

se produc atunci cand in fata Soarelui se afla un strat sbtire de nori

diametrul coroanelor este direct proportional cu lungimea de unda a razelor si invers proportional cu diametrul picaturilor de apa si a cristalelor de gheata (daca acestea au dimensiunile uniforme, culorile coroanelor sunt mai clare)

daca dimensiunile sunt diferite, atunci fiecare grupa, dupa marimile respective, produce cercuri luminoase de diametre si culori diferite, care prin suprapunere partiala dau culori confuze si prin suprapunere totala aspectul unui cerc albicios, stralucitor.

Inelul de difractie (inelul lui Bishop) apare sub forma unui cerc luminos de culoare rosiatica, in jurul Soarelui sau Lunii.

este de fapt o coroana care are diametrul cuprins intre 20-40°

se produce mai ales in urma eruptiilor vulcanice, care imprastie in atmosfera imense cantitati de pulberi pe care se produce difractia razelor provenite de la Soare sau de la Luna.

Fenomene observate dupa eruptia vulcanului Krakatoa in 1883 si apoi a vulcanului M.Pelée (Martinica) in 1902.

Gloria apare sub forma unui sistem de inele colorate in culorile spectrului, cu violetul in interior si cu rosul la exterior, care inconjoara umbra unui obiect (avion, balon etc) proiectata pe un nor compact.

fenomenul se produce prin difractia luminii pe picaturile de apa din nori, care au razele cuprinse intre 10-3 si 5·10-3cm.

Forma boltii ceresti Razele luminoase ce vin de la Soare sunt difuzate partial de catre particulele aflate in atmosfera la diferite inaltimi, astfel incat bolta cereasca nu apare ca o emisfera pentru un observator, ci apare turtita la zenit.

La aprecierea vizuala a punctului C, care se afla la jumatatea distantei dintre orizontul O si zenitul Z, la masurarea inaltimii punctului C cu un aparat de masurat unghiurile, s-a constatat ca acesta nu se afla la 45°, ci la unghiul α = 22°.

Unghiul care caracterizeaza inaltimea punctului C, defineste gradul de turtire a boltii ceresti.

Turtirea aparenta a boltii ceresti se datoreaza si particularitatilor perceptiei vizuale a observatorului – bolta cereasca apare turtita atunci cand observatorul cuprinde cu privirea intreg cerul.

α1 - depinde de unghiul y, iar legatura dintre acestea determina gradul de turtire a boltii ceresti α1 – depinde si de starea cerului:
ziua: α1 = 22.4°, noapte cu luna: α1 = 26.5°, noapte fara luna: α1 = 29°

Turtirea boltii ceresti este mai accentuata (α1 se micsoreaza), cand gradul de iluminare a cerului creste. Astfel, pe timp senin turtirea boltii ceresti apare mai mare decat pe timp noros.

Datorita efectului turtirii boltii ceresti se explica si variatia diametrelor unghiulare ale Soarelui si Lunii in functie de inaltimea la care acestea se afla pe bolta cereasca.

Efectul turtirii boltii ceresti exercita influente in aprecierea nebulozitatii, depinzand de unghiul sub care norii sunt priviti. Daca norii se afla pe bolta cereasca mai jos de 35°, nebulozitatea va fi apreciata ca fiind mai mare decat in realitate si invers, nebulozitatea este subevaluata, cand observatorul priveste norii sub unghi mai mare de 35°.

Culoarea cerului - se explica prin difuzia luminii pe moleculele de gaze si alte particule care intra in compozitia aerului atmosferic.

Intr-o atmosfera ideala in care difuzia razelor se produce numai pe molecule, culoarea cerului este albastra (razele difuzate mai mult au lungimea de unda corespunzatoare culorii albastre din spectru).

Cand difuzia se produce pe particule cu diametrul mai mare (picaturi de apa), atunci pe langa radiatiile albastre si violete mai sunt difuzate si cele cu lungimi de unda mari care se suprapun si dau culoarea albicioasa.

Uneori, la orizont, culoarea cerului trece printr-o gama de culori de la portocaliu la rosu-violaceu – are loc difuzia radiatiilor cu lungime de unda mare (din regiunea rosu a spectrului) pe particule cu diametru mare (pulberi, picaturi de apa, microorganisme etc)

Cerul privit din avion sau de pe varful unui munte apare albastru inchis, deoarece la inaltime particulele aflate in suspensie sunt mult mai mici si mai putine.

Daca in atmosfera nu ar exista particule, difuzia nu s-ar mai produce si cerul ar aparea negru.

Fenomene orajoase (oraje

—       complex de fenomene atmosferice insotite de descarcari electrice luminoase.

—       - se produc intre puncte separate ale aceluiasi nor, intre nori diferiti sau intre un nor si suprafata terestra.

—       sunt rezultatul unei mari diferente de potential electric, care atinge si chiar depaseste sute de mii de V/m

—       - sunt caracteristice norilor Cumulonimbus (care pot avea o extindere orizontala

In norul Cumulonimbus: frecarea intensa dintre aerul antrenat de curentii convectivi si picaturile de apa sau cristale de gheata, provoaca ionizarea puternica si separarea de sarcini electrice;

—       de 10-15km si verticala de 6-8 km, uneori varful lor strapungand tropopauza).

- partea superioara a norului, cu temperaturi negative, unde curentii ascendenti acumuleaza particule fragmentare de gheata transformate in ioni mari pozitivi, se incarca pozitiv;

- zona mediana-inferioara, cu temperaturi in jur sau peste O°C, se incarca predominant negativ prin ionii mari negativi (rezultati din picaturile fine de apa)

—       in partea inferioara a norului, pe traseul descendent al precipitatiilor, se dezvolta un mic centru cu sarcina pozitiva, caruia ii corespunde la sol o mica arie negativa indusa;

—       asemenea centre secundare se pot dezvolta si in alte zone ale norului;

—       la suprafata terestra – incarcata de obicei negativ – sarcina negativa de la baza norului determina, prin inductie electrostatica, aparitia unor sarcini pozitive.

Dispozitia polara a sarcinilor pozitive si negative transforma norul intr-un dipol, care dezvolta un camp de forta aeroelectric.
Deplasarea dipolului noros provoaca importante perturbari in distributia aeroionilor si variatii ale intensitatii campului aeroelectric si terestru.

—       La trecerea sistemelor noroase ale fronturilor reci, alcatuite dintr-un mare numar de nori de oraj, in diferite stadii de evolutie, efectele perturbatoare se amplifica si se complica.  

—       Cand gradientul potential dintre partile unui nor sau doi nori atinge 200.000 – 300.000 V/m se produce o descarcare brusca sub forma de scanteie luminoasa, numita fulger.

—       pentru ca fulgerul sa se produca este necesara formarea unui flux de particule incarcate electric, care se propaga in spatiu formand un canal ionizat, slab conducator de electricitate (aerul este, in mod obisnuit, un izolator);

—       canalul se formeaza in conditiile unei descarcari electrice slabe, intermitente si invizibile = leader stroke (lovitura conducatoare, precursor sau pilot);

—       cand precursorul a facut legatura intre doi nori (sau intre doua parti ale aceluiasi nor, caracterizate prin sarcini electrice de semn contrar) urmeaza imediat o descarcare puternica, vizibila – main stroke (lovitura principala)

Precursorul:

—       poate avea sens ascendent, descendent sau orizontal, in functie de particularitatile frontului ionizat

—       are o viteza de deplasare destul de „curioasa”, in miscare ascendenta are v=20km/h, iar in miscare descendenta v=150km/h.

Lovitura principala:

—       v= 100.000km/h

—       sensul sau este independent de drumul precursorului, depinde doar de modul in care sunt dispuse sarcinile electrice ale norului, sau

Carcteristici ale fulgerului

culoarea – este in general alb-albastrui sau alb-galbui, in functie de:

- tensiunea curentului principal,      

- temperatura dezvoltata in interiorul coloanei de aer strabatute,

- vaporii de apa din atmosfera inconjuratoare, care absorb o parte din radiatiile luminoase emise, atunci cand distanta intre locul in care s-a produs fulgerul si observator este mare

durata – este in general foarte scurta (miimi sau sutimi de secunda); duratele mai lungi apreciate de observator sunt consecinta unei succesiuni rapide de fulgere scurte, sau urmare a peristentei senzoriale pe retina a imaginilor percepute de ochiul omenesc.

Trasnetul – descarcarea electrica intre un nor si scoarta terestra are loc in interiorul unor canale de aer ionizat cu diametre de cativa cm si cu lungimi variabile (cativa km); sensul este in cele mai multe cazuri descendent; in regiunile cu clima temperata, 80-90% isi au sursa intr-un nor caracterizat de sarcini negative;

Tunetul – zgomotul produs de o descarcare electrica intre doi nori, sau intre un nor si sol.

- temperatura destul de inalta dezvoltata de curentul electric in canalul de descarcare, provoaca o puternica expansiune a aerului care, ciocnindu-se de straturile invecinate, determina vibratii intense ce se propaga in atmosfera.

- cand descarcarile au loc la distante mari fata de observator, tunetul se percepe ca o succesiune de bubuituri cu intensitati diferite si cu durate variabile, datorita reflexiei si interferentei sonore (densitatea aerului este diferita, atat pe orizontala, cat si pe verticala)

Focurile Sf.Elm – fenomen observat si denumit intr-o epoca in care stadiul stiintei nu ingaduia o explicatie plauzibila, rationala, fapt care a ingaduit bisericii posibilitatea de a-i asocia aparitia cu interventia divinitatii.
- sunt descarcari electrice, insotite de de efecte luminoase pe varfurile ascutite ale catargelor, paratrasnetelor si ale antenelor;
- descarcarile electrice produc in varful obiectului o lumina alb-albastruie, intermitenta, insotite de trosnituri slabe, asemanatoare celor inregistrate de receptoarele radio in prezenta unor paraziti radio-electrici.

Fulgerul globular – are aspectul unei sfere incandescente, cu diametre variabile si o culoare alb-violacee.

—       se deplaseaza cu viteze relativ reduse (cativa m/s);

—       au traiectorii care prezinta schimbari bruste de directie

—       este atras de obiecte metalice cu varfuri „ascutite”, dar a fost observat si „plimbandu-se pe parchet”.

—       dispare fie printr-o disipare lenta, fie prin explozie, care poate provoca incendierea obiectelor din apropiere.

Ipoteze privind originea fenomenului:

—       sfera este alcatuita din ozon, hidrogen si azot, care iau forme dense si se aprind in conditiile unor descarcari electrice extrem de puternice in atmosfera.

—       ar reprezenta zona de ardere a unui gaz (de pilda hidrogenul, cand proportia acestuia in aer ar fi de 4-9%), zona formata in urma unor descarcari electrice.

Aurorele polare – sunt fenomene optice si electrice care iau nastere in atmosfera inalta, deasupra regiunilor polilor magnetici ai globului terestru. Geografic, aceste doua zone inregistreaza in timp deplasari apreciabile, ca urmare a devierilor suferite de polii magnetici ai Pamantului*

(*Polii magnetici ai Pamantului nu coincid cu polii geografici. Polul nord magnetic se deplaseaza cu aproximativ 5-6km anual, iar polul sud magnetic inregistreaza o viteza de deplasare anuala ceva mai mare.

Ex. In 1969 N magnetic era situat la aprox.70° latitudine nordica si 100°longitudine vestica, in vecinatatea peninsulei Boothia si a insulei Prince of Wales, air polul S magnetic, in Antarctica, la aproximativ 68° latitudine sudica si 143°longitudine estica.

In 1973 N magnetic=71°lat.N si 96°long.E, iar S magnetic=73°lat.S si 156°long.E)

Aceste fenomene inregistrate aproape zilnic dincolo de cercurile polare, sunt o consecinta directa a activitatii cromosferei solare, care genereaza permanent vantul solar calm (fluxul de plasma emis permanent si radial, cu o intensitate relativ constanta, de catre cromosfera solara).
Cand particulele patrund in atmosfera inalta (in stratul E) provoaca o puternica ionizare a atomilor si moleculelor gazoase si o intensa emisie spectrala a acestora.

—       Luminiscenta produsa se aseamana cu cea obtinuta prin descarcari electrice in tuburi cu gaze rarefiate si depinde de:

- caracteristicile spectrale ale moleculelor si atomilor ionizati;

- deformarile campului magnetic al Pamantului (dilatare, comprimare etc.) sub actiunea fluxului de plasma solara, alcatuit din vantul solar calm;

- eruptiile puternice din cromosfera solara

Au formele cele mai variate: draperii, coroane dispuse concentric, arcuri, benzi cu structuri radiale sau neradiale

Durata variaza intre cateva minute si cateva zile (cand durata este mare, formele si culorile sufera modificari continue

Coloratia este foarte diferita, dar predomina culorile albastru-verzui, violet si rosu. - studiul spectral al culorilor evidentiaza linii spectrale intense ale oxigenului atomic (6300Å) si benzi din regiunea albastra si violeta a spectrului (3914-4708Å).